С 1971 года Виноградов учился в Московском авиационном институте, который окончил в 1977 году. После окончания института работал инженером в ракетно-космическая корпорации «Энергия» им. С. П. Королёва.
Павел Виноградов был отобран в группу космонавтов корпорации «Энергия» в марте 1992 году. С 1992 по 1994 годы прошёл подготовку к космическим полётам в центре подготовки космонавтов им. Ю. А. Гагарина.
Виноградов женат, имеет двух детей.
Павел Виноградов был дублёром бортинженера корабля «Союз ТМ-22», который отправился в космос 3 сентября 1995 года.
Первый космический полёт Павел Виноградов совершил в качестве бортинженера корабля «Союз ТМ-26» и 24-й основной экспедиции на космической станции «Мир», командиром экипажа был Анатолий Соловьёв. Корабль «Союз ТМ-26» стартовал с космодрома Байконур 5 августа 1997 года и 7 августа состыковался со станцией «Мир». В это время на станции «Мир» находился экипаж 23-й основной экспедиции Василий Циблиев, Александр Лазуткин и американский астронавт Майкл Фоул. Космонавты Циблиев и Лазуткин покинули станцию 14 августа 1997 года. 29 сентября 1997 года к станции «Мир» прибыл американский шаттл «Атлантис» STS-86. Произошла замена американских членов экипажа станции: Майкл Фоул отправился на Землю, а Дейвид Вулф остался на станции. 24 января 1998 года к станции «Мир» прибыл американский шаттл «Индевор» STS-89. Произошла очередная смена американского члена экипажа станции: вместо Дэвида Вульфа на станции остался Эндрю Томас. 31 января 1998 года к станции пристыковался корабль «Союз ТМ-27», на котором прибыли космонавты 25-й основной экспедиции «Мир»: Талгат Мусабаев и Николай Бударин, а также, с кратким посещением станции, французский космонавт Леопольд Эйартц. Виноградов, Соловьёв и Эйартц вернулись на Землю 19 февраля 1998 года.
Во время этой экспедиции Павел Виноградов провёл 197 суток 17 часов и 34 минуты в космосе. Во время полёта Павел Виноградов и командир экспедиции Анатолий Соловьёв выполнили пять выходов в открытый космос общей продолжительностью 25 часов 16 минут.
Впоследствии Виноградов прошёл подготовку в качестве командира корабля «Союз ТМА-8» и 13-го долговременного экипажа Международной космической станции. Старт корабля «Союз ТМА-8» произошёл 30 марта 2006 года с космодрома Байконур.
24 апреля 2008 президент В. В. Путин подписал Указ о награждении инструктора-космонавта-испытателя Павла Владимировича Виноградова орденом «За заслуги перед отечеством» IV степени. Этой награды Виноградов удостоен за второй космический полёт, совершённый по программе МКС-13 с марта по сентябрь 2006 года.